Song Hyun, Kim;Junyoung, Park;Jin Woo, Park;Ja Young, Hahm;Seobin, Yoon;In Jun, Hwang;Keun Pil, Kim;Sang-Beom, Seo
BMB Reports
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v.55
no.11
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pp.541-546
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2022
The repair of DNA double-strand breaks (DSBs) by homologous recombination (HR) is crucial for maintaining genomic integrity and is involved in numerous fundamental biological processes. Post-translational modifications by proteins play an important role in regulating DNA repair. Here, we report that the methyltransferase SET7 regulates HR-mediated DSB repair by methylating TIP60, a histone acetyltransferase and tumor suppressor involved in gene expression and protein stability. We show that SET7 targets TIP60 for methylation at K137, which facilitates DSB repair by promoting HR and determines cell viability against DNA damage. Interestingly, TIP60 demethylation is catalyzed by LSD1, which affects HR efficiency. Taken together, our findings reveal the importance of TIP60 methylation status by SET7 and LSD1 in the DSB repair pathway.
Seo Jung Park;Seobin Yoon;Eui-Hwan Choi;Hana Hyeon;Kangseok Lee;Keun Pil Kim
BMB Reports
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v.56
no.2
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pp.102-107
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2023
Genome editing using CRISPR-associated technology is widely used to modify the genomes rapidly and efficiently on specific DNA double-strand breaks (DSBs) induced by Cas9 endonuclease. However, despite swift advance in Cas9 engineering, structural basis of Cas9-recognition and cleavage complex remains unclear. Proper assembly of this complex correlates to effective Cas9 activity, leading to high efficacy of genome editing events. Here, we develop a CRISPR/Cas9-RAD51 plasmid constitutively expressing RAD51, which can bind to single-stranded DNA for DSB repair. We show that the efficiency of CRISPR-mediated genome editing can be significantly improved by expressing RAD51, responsible for DSB repair via homologous recombination (HR), in both gene knock-out and knock-in processes. In cells with CRISPR/Cas9-RAD51 plasmid, expression of the target genes (cohesin SMC3 and GAPDH) was reduced by more than 1.9-fold compared to the CRISPR/Cas9 plasmid for knock-out of genes. Furthermore, CRISPR/Cas9-RAD51 enhanced the knock-in efficiency of DsRed donor DNA. Thus, the CRISPR/Cas9-RAD51 system is useful for applications requiring precise and efficient genome edits not accessible to HR-deficient cell genome editing and for developing CRISPR/Cas9-mediated knockout technology.
Ju-Chan Park;Keun-Tae Kim;Hyeon-Ki Jang;Hyuk-Jin Cha
International Journal of Stem Cells
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v.16
no.2
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pp.234-243
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2023
The recent advances in human pluripotent stem cells (hPSCs) enable to precisely edit the desired bases in hPSCs to be used for the establishment of isogenic disease models and autologous ex vivo cell therapy. The knock-in approach based on the homologous directed repair with Cas9 endonuclease, causing DNA double-strand breaks (DSBs), produces not only insertion and deletion (indel) mutations but also deleterious large deletions. On the contrary, due to the lack of Cas9 endonuclease activity, base editors (BEs) such as adenine base editor (ABE) and cytosine base editor (CBE) allow precise base substitution by conjugated deaminase activity, free from DSB formation. Despite the limitation of BEs in transition substitution, precise base editing by BEs with no massive off-targets is suggested to be a prospective alternative in hPSCs for clinical applications. Considering the unique cellular characteristics of hPSCs, a few points should be considered. Herein, we describe an updated and optimized protocol for base editing in hPSCs. We also describe an improved methodology for CBE-based C to T substitutions, which are generally lower than A to G substitutions in hPSCs.
This study was investigated to test whether the zygote recognized the topoisomerase II beta (TOP2B) mediated DNA fragmentation in epididymal spermatozoa or the nuclease degradation in vas deferens spermatozoa by testing for the presence of gammaH2AX (γH2AX). The γH2AX is phosphorylation of histone protein H2AX on serine 139 occurs at sites flanking DNA double-stranded breaks (DSBs). The presence of γH2AX in the pronuclei of mouse zygotes which were injected with DNA broke epididymal spermatozoa was tested by immunohistochemistry at 5 and 9 h post fertilization, respectively. Paternal pronuclei that arose from epididymal spermatozoa treated with divalent cations did not stain for γH2AX at 5 h. On the other hand, in embryos injected with vas deferences spermatozoa that had been treated with divalent cations, γH2AX was only present in paternal pronuclei, and not the maternal pronuclei at 5 h. Interestingly, both pronuclei stained positively for γH2AX for all treatments and controls at 9 h after sperm injection. In conclusion, the embryos recognize DNA that is damaged by nuclease, but not by TOP2B because H2AX in phosphorylated in paternal pronuclei resulting from spermatozoa treated with fragmented DNA from vas deferens spermatozoa treated with divalent cations, but not from epididymal spermatozoa treated the same way.
Background: Development of chronic myeloid leukemia (CML) involves formation of double strand breaks (DSBs) which are initially sensed by the ataxia telangiectasia mutated (ATM) signal kinase to induce a DNA damage response (DDR). Mutations or single nucleotide polymorphisms in ATM gene are known to influence the signaling capacity resulting in susceptibility to certain genetic diseases such as cancers. Materials and Methods: In the present study, we have analyzed -5144A>T (rs228589) and C4138T (rs3092856) polymorphisms of theATM gene through polymerase chain reaction-restriction fragment length polymorphism (PCR-RFLP) in 925 subjects (476 CML cases and 449 controls). Results: The A allele of -5144A>T polymorphism and T allele of C4138T polymorphism which were known to be influencing ATM signaling capacity are significantly associated with enhanced risk for CML independently and also in combination (evident from the haplotype and diplotype analyses). Significant elevation in the frequencies of both the risk alleles among high risk groups under European Treatment and Outcome Study (EUTOS) score suggests the possible role of these polymorphisms in predicting the prognosis of CML patients. Conclusions: This study provides the first evidence of association of functional ATM gene polymorphisms with the increased risk of CML development as well as progression.
Homologous recombination repair (HRR) plays an important role in protection against carcinogenic factors. Genes regulating the HRR mechanisms may impair their functions and consequently result in increased cancer susceptibility. RAD 51 and XRCC3 are key regulators of the HRR pathway and genetic variability in these may contribute to the appearance and progression of various cancers including head and neck cancer (HNC). The aim of the present study was to compare the distribution of genotypes of RAD51 (135G/C, 172 G/T) and XRCC3 (Thr241Met) polymorphisms between HNC patients and controls. Each polymorphism was genotyped using the polymerase chain reaction-restriction fragment length polymerase (PCR-RFLP) technique in 200 pathologically confirmed HNC patients along with 150 blood samples from normal, disease free healthy individuals. We observed that homozygous variant CC genotype of RAD51 135G/C was associated with a 2.5 fold increased HNC risk (OR=2.5; 95%CI=0.69-9.53; p<0.02), while second polymorphism of RAD 51 172 G/T, heterozygous variant GT genotype was associated with a 1.68 fold (OR=1.68; 95%CI=1.08-2.61; p<0.02) elevation when compared with controls. In the case of the Thr241Met polymorphism of XRCC3, we observed a 16 fold (OR=16; 95% CI=3.78-69.67; p<0.0002) increased HNC risk in patients compared to controls. These results further suggested that RAD51 (135G/C, 172 G/T) and XRCC3 (Thr241Met) polymorphisms may be effective biomarkers for genetic susceptibility to HNC. Larger studies are needed to confirm our findings and identify the underlying mechanisms.
Stalled DNA replication forks activate specific DNA repair mechanism called post-replication repair (PRR) pathways that simply bypass DNA damage. The bypassing of DNA damage by PRR prevents prolonged stalling of DNA replication that could result in double strand breaks (DSBs). Proliferating cell nuclear antigen (PCNA) functions to initiate and choose different bypassing pathways of PRR. In yeast, DNA replication forks stalled by DNA damage induces monoubiquitination of PCNA at K164, which is catalyzed by Rad6/Rad18 complex. PCNA monoubiquitination triggers the replacement of replicative polymerase with special translesion synthesis (TLS) polymerases that are able to replicate past DNA lesions. The PCNA interaction motif and/or the ubiquitin binding motif in most TLS polymerases seem to be important for the regulation of TLS. The TLS pathway is usually error-prone because TLS polymerases have low fidelity and no proofreading activity. PCNA can also be further polyubiquitinated by Ubc13/ Mms2/Rad5 complex, which adds an ubiquitin chain onto monoubiquitinated K164 of PCNA. PCNA polyubiquitination directs a different PRR pathway known as error-free damage avoidance, which uses the newly synthesized sister chromatid as a template to bypass DNA damage presumably through template switching mechanism. Mammalian homologues of all of the yeast PRR proteins have been identified, thus PRR is well conserved throughout evolution. Mutations of some PRR genes are associated with a higher risk for cancers in mice and human patients, strongly supporting the importance of PRR as a tumor suppressor pathway.
53BP1 is an important genome stability regulator, which protects cells against double-strand breaks. Following DNA damage, 53BP1 is rapidly recruited to sites of DNA breakage, along with other DNA damage response proteins, including ${\gamma}$-H2AX, MDC1, and BRCA1. The recruitment of 53BP1 requires a tandem Tudor fold which associates with methylated histones H3 and H4. It has already been determined that the majority of DNA damage response proteins are phosphorylated by ATM and/or ATR after DNA damage, and then recruited to the break sites. 53BP1 is also phosphorylated at several sites, like other proteins after DNA damage, but this phosphorylation is not critically relevant to recruitment or repair processes. In this study, we evaluated the functions of phosphor-53BP1 and the role of the BRCT domain of 53BP1 in DNA repair. From our data, we were able to detect differences in the phosphorylation patterns in Ser25 and Ser1778 of 53BP1 after neocarzinostatin-induced DNA damage. Furthermore, the foci formation patterns in both phosphorylation sites of 53BP1 also evidenced sizeable differences following DNA damage. From our results, we concluded that each phosphoryaltion site of 53BP1 performs different roles, and Ser1778 is more important than Ser25 in the process of DNA repair.
We have analyzed the MRE3/REC114 gene of Saccharomyces cerevisiae, previously detected in isolation of mutants defective in meiotic recombination. We cloned the MRE3/REC114 gene by complementation of the meiotic recombination defect and it has been mapped to chormosome XIII. The DNA sequence analysis revealed that the MRE3 gene is identical to the REC114 gene. The upstream region of the MRE3/REC114 gene contains a T_4C site, a URS (upstream repression sequence) and a TR (T-rich) box-like sequence, which reside upstream of many meiotic genes. Coincidentally, northern blot analysis indicated that the three sizes of MRE3/REC114 transcripts, 3.4, 1.4 and 1.2 kb, are induced in meiosis. A less abundant transcript of 1.4 kb is detected in both mitotic and meiotic cells, suggesting that it is needed in mitosis as well as meiosis. To examine the role of the MRE3/REC114 gene, we constructed mre3 disruption mutants. Strains carrying an insertion or null deletion of the MRE3/REC114 gene showed slow growth in nutrient medium and the doubling time of these cells increased approximately by 2-fond compared to the wild-type strain. Moreover, the deletion mutant (${\delta}$mre3) displayed no meiotically induced recombination and no viable spores. The mre3/rec114 spore lethality can be suppressed by spo13, a mutation that causes cells to bypass reductional division. The double-stranded breaks (DSBs) which are involved in initiation of meiotic recombination were not detected in the analysis of meiotic chromosomal DNA from the mre3/rec114 disruptant. From these results we suggest that the MRE3/REC114 gene product is essential in normal growth and in early meiotic stages involved in meiotic recombination.
Kim, Dong Hyun;Oh, Sung Yong;Kim, So Yeon;Lee, Seul;Koh, Myeong Seok;Lee, Ji Hyun;Lee, Suee;Kim, Sung-Hyun;Park, Heon Soo;Hur, Won Joo;Jeong, Jin Sook;Ju, Mi Ha;Seol, Young Mi;Choi, Young-Jin;Chung, Joo Seop;Kim, Hyo-Jin
Asian Pacific Journal of Cancer Prevention
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v.15
no.24
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pp.10985-10989
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2015
Background: The capability for DNA double-strand breaks (DSBs) repair is crucial for inherent radiosensitivity of tumor and normal cells. We have investigated the clinicopathologic significance of DNA repair gene expression in nasopharyngeal (NP) carcinoma. Materials and Methods: A total of 65 NP cancer patients who received radiotherapy were included. The immunopositivity to Ku 70, DNA-PKcs, MRN, RAD50, XRCC4, and LIG4 were examined in all tumor tissues. Results: The patients comprised 42 males and 23 females, with a median age of 56 years (range, 18-84). The expression levels of RAD50 (0,+1,+2,+3) were 27.7%, 32.3%, 21.5%, and 18.5%. LIG4 (${\pm}$) were 43.1% and 56.9% respectively. The 5-year OS rate of patients with LIG4 (${\pm}$) were 90% and 67.9%, respectively (p=0.035). The 5-year TTP rate of patients with LIG4 (${\pm}$) were 75.9%, 55.5%, respectively (P=0.039). Conclusions: Our results suggest the possibility of predicting the radiosensitivity of NP cancer by performing immunohistochemical analysis of LIG4.
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